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  <title> java重入锁分析 | 个人博客 </title>
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                java重入锁分析
              
            
          </h1>
        

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              2016-08-28
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    <div class="post-body" itemprop="articleBody">

      
      

      
        <p>ReentrantLock详解</p>
<p>1.核心部分<br>AbstractQueuedSynchronizer核心操作类（不仅仅是在Lock领域，线程池也多有应用，俗称AQS）<br>Sync                            继承AQS，提供了对Lock的部分操作<br>NonfairSync 继承Sync，见名知意，非公平锁的操作（默认为非公平所）<br>FairSync                        继承Sync，见名知意，公平锁的操作</p>
<a id="more"></a>
<p>2.获取锁的过程<br>这里默认使用非公平锁（公平锁逻辑上类似。细节有所不同）</p>
<p>===========================================<br>方式1：lock();<br>方式2：tryLock();</p>
<h1 id="方式3：tryLock-long-timeout-TimeUnit-unit"><a href="#方式3：tryLock-long-timeout-TimeUnit-unit" class="headerlink" title="方式3：tryLock(long timeout, TimeUnit unit);"></a>方式3：tryLock(long timeout, TimeUnit unit);</h1><p>方式1：lock();</p>
<p>final void lock() {<br>            if (compareAndSetState(0, 1))<br>                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());<br>            else<br>                acquire(1);<br>        }</p>
<pre><code>个人认为比较好理解，首先进行一个原子操作compareAndSetState(0, 1)，lock的state在初始状态或者未被占有的状态下为0，这里是一种基于乐观锁的设计。
若是成功设置lock的state，设置当前线程为lock的owner。
否者进入acquire（1）；


acquire（1）；


 public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &amp;&amp;
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}


官方释义：以独占模式来获取锁，且忽略中断。若成功获取锁，返回。否者有可能进入队列等待。


if判断条件分为2个，分别解析。
（1）tryAcquire(arg)


定义于AQS内，实现在ReentrantLock的NonfairLock中
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
        return nonfairTryAcquire(acquires);
    }
</code></pre><p>final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {<br>       final Thread current = Thread.currentThread();<br>       int c = getState();<br>       if (c == 0) {<br>           if (compareAndSetState(0, acquires)) {<br>               setExclusiveOwnerThread(current);<br>               return true;<br>           }<br>       }<br>       else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {<br>           int nextc = c + acquires;<br>           if (nextc &lt; 0) // overflow<br>               throw new Error(“Maximum lock count exceeded”);<br>           setState(nextc);<br>           return true;<br>       }<br>       return false;<br>   }</p>
<p>首先获取当前线程，判断当前lock的state(万一在我们第一次获取锁失败的时候刚好有人释放了呢)，若lock的state是0，则尝试再去取compareAndSetState(0, acquires)，成功返回true,否则返回false。<br>若是state！=0，两种情况。1.该线程本身就是lock的持有者，由于ReentrantLock支持重入，所以在符合最大重入次数的条件下，设置state++,返回true。<br>  2.该线程不是lock的持有者，那么相当于又一次尝试获取锁失败。返回false.</p>
<p>tips:我认为这里能体现部分作为“非公平所”的特性，就是说，一个线程在第一次获取锁失败的情况下，还有第二次获取的机会，假设他与一个在等待队列中等待了许久的线程竞争，结果他回去了锁，是不是就意味着不公平？  </p>
<p>再看acquire(int arg)的if语句中的2个条件，如果第一个tryAcquire返回的是true,根据短路与的特性，后面的都不执行，线程成功的获取lock，返回。<br>若是返回的是false,我们继续看接下来的条件<br>（2）acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)</p>
<p>先看addWaiter(Node.EXCLUSIVE)</p>
<p>private Node addWaiter(Node mode) {<br>        Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);<br>        // Try the fast path of enq; backup to full enq on failure<br>        Node pred = tail;<br>        if (pred != null) {<br>            node.prev = pred;<br>            if (compareAndSetTail(pred, node)) {//设置新的tail结点<br>                pred.next = node; //由于是双向链表，所以要设置prev以及next<br>                return node;<br>            }<br>        }<br>        enq(node);<br>        return node;<br>    }</p>
<pre><code>首先，根据函数名就能猜到，该操作的结果是产生一个等待着，也就是使当前线程加入等待队列。
这里介绍下内部等待队列的数据结构。
注意：是一个双向链表，这里并没有标出。
 * +------+  prev +-----+       +-----+
 * head |      | &lt;---- |     | &lt;---- |     |  tail
 *      +------+       +-----+       +-----+
Node node = new Node(Thread.currentThread(), mode);可以看到根据传入的Node的mode来创建出一个node，该node的内部thread指向当前线程。
tail指向尾节点，head指向头结点，可以认为，在第一个线程进入等待队列时，tail以及head都是空的。
所以先来关注enq(node);


private Node enq(final Node node) {
    for (;;) {
        Node t = tail;
        if (t == null) { // Must initialize
            if (compareAndSetHead(new Node()))
                tail = head;
        } else {
            node.prev = t;
            if (compareAndSetTail(t, node)) {
                t.next = node;
                return t;
            }
        }
    }
}


我们来看，第一个将要等待队列的线程到来时，t必然为null。所以第一次会触发compareAndSetHead(new Node())，结果也就是产生一个辅助节点作为head节点。
然后我们需要关注的是这是一个for(;;)，也就是死循环，第二次循环时，由于head节点已经被创建，那么node就会被插入到链表尾部，也就是prev指向前一个节点，tail指向该node。
说白了就是若等待队列为空，构造出一个等待队列（辅助的head结点，tail也指向head）,再将传入的node插入队列。移动tail指针。


回过头去看addWaiter(Node.EXCLUSIVE)
其实做的只是插入一个结点，并且移动tail指向新插入的结点。


再来看acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg)


final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor(); //获取前一个结点
            if (p == head &amp;&amp; tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &amp;&amp;
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}


要理解 if (p == head &amp;&amp; tryAcquire(arg))，由于p是传入结点的前一个结点，如果p是head，则再次尝试去获取锁，如果获取到了，开始setHead(node)操作。
private void setHead(Node node) {
    head = node;
    node.thread = null;
    node.prev = null;
}
setHead(node);做的只是将head指向该node，同时置空一些node的信息，因为他已经获取到锁了，所以不需要再等待队列中了。
由此可见，在等待队列中最有可能能回去lock的是head后的第一个结点。
若是if (p == head &amp;&amp; tryAcquire(arg))不满足，则进入 if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &amp;&amp; parkAndCheckInterrupt()) 分支。
shouldParkAfterFailedAcquire(p, node)


private static boolean shouldParkAfterFailedAcquire(Node pred, Node node) {
    int ws = pred.waitStatus;
    if (ws == Node.SIGNAL)
        return true;
    if (ws &gt; 0) { //大于0 表示已经被cancel掉了 也就是无效的了          
        do {
            node.prev = pred = pred.prev;
        } while (pred.waitStatus &gt; 0);
        pred.next = node;
    } else {         
        compareAndSetWaitStatus(pred, ws, Node.SIGNAL);
    }
    return false;
}


这段代码不是很直面。
首先waitStatus的含义是指该结点内thread的等待状态，由以下几种组成：
static final Node EXCLUSIVE = null;


    static final int CANCELLED =  1; //表示该线程已取消

    static final int SIGNAL    = -1; //标示该线程需要被挂起

    static final int CONDITION = -2; //标示该线程正在等待信号量

    static final int PROPAGATE = -3; //等待共享锁


if (ws &gt; 0) 若是满足此条件，从该结点开始，向前扫描，找到第一个状态不为cancel的结点。然后与找到的结点连接（next，prev），若是下一个结点的状态小于0，则尝试将其置为SIGNAL。
在关注外部的for(;;)是一个死循环，也就是说，第二次来遍历的时候必然会发现状态为SIGNAL的结点（不为cancel）。找到后返回true。


parkAndCheckInterrupt()
该操作只是将当前线程挂起到WAITING状态，等待一个中断或者unpark()方法来唤醒他。
若是if操作成功，则将Interrupt的值设置为true，表示需要中断来唤醒。


再回到顶层


 public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) &amp;&amp;
        acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt();
}


假设此时tryAcquire(arg);没有获取到锁，return false; acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg) 返回false 说明等待队列的head之后的第一个结点已获取锁，且Interrupt的值为false，代表不需要中断操作来唤醒。若返回true，则说明队列中有一个结点已经获取锁，但是需要唤醒当前线程。
所以selfInterrupt();该操作的目的就是产生一个中断，是线程从WAITING中恢复。


具象一点的说法，假设现有N个线程未获取lock进入到了等待队列，每个线程都在进行这样的无限循环来判断自己是否是head之后的第一个有效的结点，如果是，则尝试去获取lock，不是则继续循环（CAS的体现）。
比如队列中第3个结点与第5个结点，两者都在进行循环，尝试将两者间的无效（cancel）的结点去掉，假设第4个结点的state为cancel，那么第3个结点自然就会与第5个结点连接。再假设第3个结点的前面两个结点都是有效结点，那么在判断p==head的时候返回false，所以继续循环，其实这是的循环我感觉已经是某种意义上的无用循环了，因为第二个结点状态始终有效。但是一旦找到在该节点前的第一个有效结点后，会使当前线程进入WAITTING的状态，等待unpark()或interrupt()使线程恢复，也就是说，哪怕此时结点是head后的第一个结点，也拿到了lock，但是线程却处于WAITTING状态，所以需要selfInterrupt();来触发一个中断，来恢复线程状态！


概括的流程：
第一次获取（失败）---&gt; 第二次获取（失败）---&gt; 插入队列---&gt; 进入死循环 ---&gt; 有该结点向前找，找第一个有效结点 ---&gt; 找到后，当前线程挂起，进入WAITTING ---&gt; 判断当前结点的前一个是否为head，若是则尝试获取lock ---&gt; 获取到锁，interrupt(),是当前线程从中断中恢复。


lock()的总结：
1.线程未获取到锁进入队列后的操作（死循环在做什么）
2.线程从开始获取锁到进入阻塞队列的过程（3次获取锁的操作，体现非公平性）
3.多次的CampareAndSet操作，达到的目的
3.乐观锁的设计方式，体现在哪里




关于tryLock()
内部实际是调用了nonfairTryAcquire（1）;所以实现原理上几乎一样
</code></pre><p>关于tryLock(long timeout, TimeUnit unit);<br>从函数名上就可以知道，这是自带超时机制的获取方式，在超出既定响应时间后没有获取到lock，抛出InterruptException,内部实现原理类似，但是多了计时机制。</p>
<p>3.释放锁的过程</p>
<p>1.unlock();<br>2.tryRelease();</p>
<p>unlock();</p>
<p>public void unlock() {<br>        sync.release(1);<br>    }</p>
<pre><code>public final boolean release(int arg) {
    if (tryRelease(arg)) {
        Node h = head;
        if (h != null &amp;&amp; h.waitStatus != 0)
            unparkSuccessor(h);
        return true;
    }
    return false;
}


protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
}


tryRelease其实做的是设置锁的state,比较容易看出，判断当前线程是否为锁的拥有者，若是，锁的计数器-1，若是计数器为0，则清空锁的拥有者，因为ReentrantLock是排他锁，但是也是重入锁，所以允许一个线程多次获取锁，基于这个情况，只有lock的次数与unlock的次数对应，才能释放掉锁。


release做的就是释放锁之后唤醒head之后的第一个有效结点的线程。


因为在设计的时候任务head之后的第一个有效结点是有资格去竞争锁的，那么head一般就认为是已经完成任务的线程所在的结点（当然，不这样认为，仅仅认为是一个head指针也未尝不可）。


总结下unlock()
锁计数器-1 ---&gt; 若计数器为0 ---&gt; 释放锁，否则不释放 ---&gt; 将head之后的第一个有效结点唤醒


重点：
1.ReentrantLock存在重入，所以需要判断锁计数器是否为0.
2.释放锁其实做的是lock的state置0，owner置null。
3.释放锁之后，将head之后第一个有效结点唤醒。


以上就是对于ReentrantLock的个人理解
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